基于ARM uCLinux的网络控制系统设计与实现

引言

    随着网络和通信技术的发展，嵌入式系统现已进入高速发展阶段。并在社会各个领域得到了广泛的应用。本文介绍了一种采用ARM+uCLinux作为开发平台。实现基于TCP／IP的远程系统监控．从而取代传统单片机来实现数据采集、预处理和通信功能；并依靠互联网将数据向上位机传送，同时支持远端客户对设备进行远程控制，从而实现远程监控功能的具体方法。

1 系统平台的构建

    本系统由嵌入式平台服务器、前端控制器、前端传感器、客户端和配置PC组成。开发时可通过配置PC来下载系统和应用软件。嵌入式系统平台能够收集现场数据。并传送到远端客户机，之后由远端客户机对数据进行处理，接着发送控制信号给系统服务器，以便通过前端控制器对设备进行远程控制。其系统结构如图1所示
 

1．1 硬件开发平台
 

    该系统的硬件开发平台可选择SmartARM2200。该嵌入式设备的核心是ARM7TDMI的LPC2210．开发板自身具有A／D转换器和多个GPIO(通用I／O)口，可对工业现场的各种设备、仪表进行数据采集和监控。使用时，只要将相应的传感器信号接入控制器的端口即可。其开发板系统的硬件配置如图2所示。

1．2 uCLinux操作系统

    操作系统是嵌入式设备软件的核心部分。本系统采用uCLinux系统平台来完成对硬件系统的管理和维护。uCLinux是广泛应用于微控制领域的一种嵌入式Linux操作系统。它通过对标准Linux内核的裁减，可去除虚拟内存管理部分代码，以对内存分配进行优化。从而达到提高系统运行效率的目的。uCLinux则可经过各方面的小型化改造形成一个高度优化、代码紧凑的嵌入式Linux，它保留了Linux的大多数优点，包括稳定、良好的移植性、优秀的网络功能、完备的文件系统支持、丰富的API等。

1．3 uCLinux在ARM平台上的移植

    若将uCLinux移植到SmartARM2200上，需要进行以下四个步骤：

(1)下载源码，建立交叉编译环境

    uCLinux是自由软件(完全开放代码)。用户可以直接从http：／／www．uclinux．org／pub／uclinux处下载源代码并安装到Red Hat9．0系统下，以便正常在Red Hat9．0建立起交叉编译环境。

(2)配置和编译内核

    进入到安装好的uCLinux目录，依次执行下面的命令：

    make menuconfig；进入配置菜单后，选择Vendor／Product(厂商／产品)下的PHILIPS／lpc2200；用Kernel Version(内核版本)选择Linux-2．4．x，Libc Version(函数库版本)选择uClibc：其余内核和应用程序选项可根据情况选择。

make dep

make clean

make lib_only

make user_only

make romfs

make image

make 

    编译结束后会在uCLinux安装目录下生成romfs．img文件，利用它可以制作RAM Disk，然后在linux-2．4．X目录下生成elf格式的Linux内核文件，并以下列方式将其转换成bin格式

#arm-elf-objcopy-O binary linux linux．bin

从而生成下载用的uCLinux内核镜像文件linux．bin。

(3)制作Ram Disk挂栽根文件系统

    首先创建一个512 kB的虚拟磁盘，并将虚拟磁盘文件格式转化成ext2格式：

dd if／dev／zero of=initrd．img bs=1024 count=512

mkfs．ext2-c init．img

    然后将init．img和romfs．img加载到主机文件系统上，并在RAM中建立需要的目录：／bin，／dev，／etc，／var，进而拷贝ROM中的文件到ram目录中。

    下来在RAM盘dev目录下创建设备节点：

#mknod ram／dev／ttyS0 c 4 64

#mknod ram／dev／console c 5 1

    最后卸载init．img和romfs．img，并应确保init．img修改已保存，至此，RAM DISK便创建完成。

(4)下载内核和文件系统

    正确设置主板启动选择跳线。主板加电后，在超级终端上便可以看到BootLoader引导信息，可选择默认的FTP连接，并使用BootLoader默认的IP进行下载，然后启动gftp，输入主板默认的IP和端口号。这样，linux主机就可以和主机连接，最后选择需要下载的Linux内核文件和RAM盘及相关的配置文件即可。

2 监控系统功能的实现

    监控系统主要由3个部分组成：数据采集部分，设备控制部分，数据传输部分。数据采集部分可对传感器信号进行A／D转换，并对采集到的数据进行简单的处理，同时提供调整运行参数的接口。数据传输部分可将采集的数据传送到远端的主机，并接收远端主机的控制信息。远端主机则对传输过来的远程数据进行处理、存储和显示，并可以修改数据采集部分的参数以控制数据采集，同时依据采集到的数据对设备发出操作指令，或对远端的设备进行控制，从而实现远程监控功能。[page]

2．1 数据采集

    使用A／D转换设备前，首先要创建设备节点，并加载ADC驱动，然后通过open()和close()将其打开和关闭．主要的数据采集程序如下：

……

ioctl(fd，ADC_SET_CLKDIV，(Fpclk+fadc1)/fadc-1)；／／设置A／D转换速度

ioctl(fd，ADC_SET_BITS，10)；／／设置A／D转换精度； 

while(1) {

ad_data=0；

read(fd，&ad_data，sizeof(ad_data))；／／读取A/D转换的值；

……
 

2．2 GPIO设备控制

    同A／D转换设备类似，使用GPIO也需先创建设备节点并加载驱动。对GPIO操作前，应通过open()打开，使用后应通过close()关闭。

    首先。选定开发板上没有使用过的GPIO端口，设定其输入／输入状态，然后根据客户端返回的信息对端口进行操作，输出0／1的电平，以使其外部连接的继电器动作。从而控制设备的运转。程序主要通过函数ioctl来实现。ioctl是设备驱动程序中对设备的I／O通道进行管理的函数，通过它可对设备的一些特性进行控制．其函数原形为：

int ioctl(int fd，ind cmd，…)；

    其中，fd是用程序打开设备时，使用open函数返回的文件标示符；cmd是用户程序对设备的控制命令；至于后面的省略号，则是一些补充参数(一般最多一个，有或没有是和cmd的意义相关的)。在这里，可通过如下一组函数来实现：

ioctl(fd1，GPIO_SET_PIN_IN，devicel)；

／／设置管角为输出状态；

ioctl( fd2， GPIO_SET_PIN_OUT， devicel_state)； 

／／设置管角为输入状态；

ioctl(fd2,GPIO_READ_PIN,&devicel_state)；

／／读取设备状态管角；

ioctl(fd1，GPIO_CLR_PIN,device)；

／／清除设备管角控制信号；

2．3 网络通信程序

    网络通信程序可使用TCP／IP协议下标准的socket套接字编写。套接字(socket)是网络通信的基本操作单元。它提供了不同主机间进程双向通信的端点。这些进程在通信前应各自建立一个socket，并通过对socket的读／写操作实现网络通信功能。常用的套接字有两种：流式套接字(Stream Socket)和数据报套接字(Datagram Socket)。其中，流式套接字是可靠的面向连接的通信数据流，是无错误的传输；而数据报套接字则使用UDP来传送数据包，数据包的顺序是没有保障的。本系统采用流式套接字进行程序设计。

    流式套接字的服务进程和客户进程建立连接及通信的程序流程如图3所示。现具体说明如下：
 

    (1)服务进程首先调用socket()创建一个流式套接字，并调用bind()将服务器地址捆扎在该套接字上，接着调用listen()监听连接请求，随后调用accept()做好与客户进程建立连接的准备。无连接请求时，服务进程被阻塞；

    (2)客户进程先调用socket()创建流式套接字，然后调用connect()向服务进程发出连接请求；

    (3)当连接请求到来后，服务进程被唤醒，并生成一个新的流式套接字。同时用新套接字同客户进程的套接字建立连接，而服务进程最早生成的套接字则继续用于监听网络上的服务请求；

    (4)服务进程和客户进程通过调用send()和recv()来交换数据，服务器可向客户端传送所收集的数据。客户端则向服务器反馈控制信息和参数调整信息； 
 

    (5)服务进程或客户进程可通过调用close()来撤消套接字并中断连接。

    服务器端的程序通过交叉编译环境编译后。可通过NFS(网络文件系统)下载到开发板中，然后手动加入到rc引导文件中。即可实现开机自动运行
 

3 结束语

    基于ARM和CLinux嵌入式系统代表了目前嵌入式系统的发展方向。嵌入式系统与网络技术和控制技术相结合．是嵌入式系统发展的必然趋势。本文讨论了基于ARM+uCLinux平台的网络控制系统设计与实现方法。并对该平台下应用TCP／IP协议进行网络通信进行了探讨。该方法对于自动化楼宇、工业控制、智能家居等方面都有一定的借鉴意义。